一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法
专利名称一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法
技术领域本发明涉及直流电源系统阻抗测量技术领域，特别是涉及一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法。
背景技术直流电源系统是由电源和许多负载组成的系统，电源系统阻抗可以分成电源输出阻抗和负载输入阻抗两个部分。电源输出阻抗是反映电源系统的供电质量、兼容性、稳定性的重要技术指标，负载输入阻抗是反映输入滤波器或电源转换器DC-DC抑制传导干扰、抑制反射功率的重要技术指标。两者合起来统称电源系统阻抗。 电源系统设计和用电负载设计往往是由不同的研制单位，在不同的时间完成的。例如VXI、PXI机箱电源、计算机电源母线、通讯电源母线、航天器电源母线以及国际空间站电源等等。只有在电源输出阻抗确定下来后，再要求所有负载并联后的输入阻抗远远大于电源输出阻抗，才能保证系统稳定。电源输出阻抗参数成为设计电源系统和负载的重要数据。只有实际测量出电源输出阻抗和负载输入阻抗才能用定量的数据检验设计指标，在电源系统出现干扰时也需要实际测量电源输出阻抗来在线查找原因。目前国外航天器电源已经使用电源输出阻抗作为技术指标来评价电源的品质，在欧空局的技术规范中规定了航天器输出阻抗的特性曲线要求，并且规定了级联的DC-DC电源稳定性要求。国际空间站电源系统为了适应来自各个国家和来自不同公司的用电负载，特别规定了电源输出阻抗和负载输入阻抗的限制范围，以保证整个系统稳定运行。因此，如果没有可靠的电源输出阻抗测量技术，就难以对电源和负载的系统稳定性进行定量分析，在电源系统设计时也难以提出电源输出阻抗技术要求和负载输入阻抗的技术要求，因此电源输出阻抗测量技术是急待发展的重要的测量技术。直流电源输出阻抗的特点是①直流电源输出阻抗不同于元器件阻抗，也不同于电源内阻。元器件阻抗是由材料特性和几何结构决定的，如电阻器件的阻抗是由导电丝的电阻率和几何形状决定的，电容器件的阻抗是由电容极板面积、极板间距、电介质的介电场数以及引脚电线的电阻和几何形状决定的，电感器件的阻抗是由线圈面积和匝数、线圈内外磁导率以及线圈电阻和几何形状决定的。电源输出阻抗不同于元器件阻抗，它是由电源输出特性和电源母线上的分布参数决定的，电源输出阻抗是当电源有功率输出的条件下，表现出来的固有特性。它也不同于电源内阻，内阻是电源输出端的电压变化与负载电流变化的比值。电压和电流均在直流状态，所谓变化是指两种直流输出状态之间的差异。内阻可用伏安特性曲线的切线斜率来表示，电源存在非线性，不同工作状态下内阻的大小也不相同，理想的电压源Us内阻Rs为零，理想的电流源I s内阻Rg无穷大。②直流电源输出阻抗是在小信号条件下的阻抗。直流电源是非线性系统，在不同的电压和电流的工作点上，阻抗不同。工作点附近存在小的动态区间，可以看作近似线性区间。因此测量电源阻抗时，只能施加小幅值的正弦激励电流，保证不失真的情况下，产生的电压扰动也不失真，在这种小信号条件下，才能用某单一频率的电压相量和电流相量来计算电源阻抗。一般在IOkHz以下，电源阻抗小于O. I Ω，若交流激励电流的幅值小于O. IA则母线上的交流电压响应小于IOmV,如此小的电压信号淹没在母线噪声中，会严重影响测量准确度，微小信号的测量问题是阻抗测量中的难题。③直流电源输出阻抗是分布参数阻抗。电源输出阻抗不但与电源控制特性有关，还与输电线路和测量截面有关，高频情况下(一般大于10kHz)，电源输出阻抗受母线分布参数影响，逐渐增大，而母线分布参数又与测量截面选取有关。因此，直流电源输出阻抗的测量不同于无源的阻抗元件的测量，不能直接使用阻抗测量仪。它必须在直流电源工作时，注入电流激励或电压激励，然后测量响应电压或电流，通过计算电压与电流的相量比例获得阻抗测量结果。但是，为了避免非线性失真，激励与响应往往工作在小信号区间，对于小信号测量来说，非常困难。在直流电源工作条件下，当电源输出阻抗非常小时，比如O. I Ω以下，待测交流电压常常被淹没在直流电源本身的噪声中。目前国内和国际上还没有商品化的直流电源输出阻抗的测量仪器和设备。而通用 的、商品化阻抗测量仪和矢量网络分析仪只能测量无源器件的交流阻抗，不能直接用于测量电源输出阻抗和负载输入阻抗。根据国内外相关技术文献的记载，目前测量电源输出阻抗的方法，一般采用频率响应分析仪，由频率响应分析仪产生交流激励信号VAC，同时测量母线电压Vtest和取样电阻电压Vref的幅值比例和相位差，测量结果以波特图给出。测量频率范围IOHz 200kHz，所用的频率响应分析仪有美国Venable公司的350系列，还有美国Ridley公司的AP200系列。图I采用电流互感器耦合方法注入交流扰动电流，扰动信号的耦合太弱，当互感器左端阻抗较小时，右端的信号源工作在电流源状态，用频响分析仪作激励较为困难。直流电子负载通过直流电流IO(DC)，设定直流工作点。直流电子负载的输入阻抗与被测电源的输出阻抗并联，实际测量得到的阻抗值是直流电源输出阻抗与直流电子负载输入阻抗的并联结果。当直流负载输入阻抗远大于电源输出阻抗时，测量结果近似电源输出阻抗。但是高频段往往负载输入阻抗与电源输出阻抗相当，测量结果产生很大误差。图2采用场效应管放大了交流扰动信号，直接用母线电压驱动场效应管，在较高的母线电压下其热噪声也放大为交流扰动信号，干扰了正常测量。同样所测量的阻抗值是电源输出阻抗与直流电子负载输入阻抗之并联结果，在直流大电流情况下(例如，电子负载输入阻抗小于10 Ω ),产生较大系统偏差。图3设计了有源放大器将频率响应分析仪的扫频信号放大后驱动耦合互感器，通过耦合互感器注入交流扰动信号，扩大了适用范围，但是耦合变压器频率响应带宽较窄，实际测量只达到200kHz，同样所测量的阻抗值包含了直流电子负载的输入阻抗并联情况，产生较大系统偏差。Agilent公司的4395A网络分析仪的产品说明书中也推荐了一种测量电源输出阻抗的方法，见图4。与上面的问题一样，负载的输入阻抗也成了被测量的对象，实际测量数据是负载的输入阻抗与电源输出阻抗并联的结果，有较大系统偏差。
本发明公开了一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法，所测量的直流电源输出阻抗是定义在具体的工作点(电源工作在额定范围内的一个确定的直流电压和直流电流)、具体的测试截面，从测试截面朝电源的方向看所呈现出的等效阻抗，克服由于负载输入阻抗的影响而造成的测量过程的系统偏差。本发明的技术方案是一种直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，所述扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，所述扫频相量分析模块还和控制计算机连接；所述测试频点电压相量提取模块连接至在被测电源连接负载的电源母线上选取的测试截面的电压采样端，提取被测电源两端频率为ω的电压信号的幅度和相位，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，所述测试频点电流相量提取模块采用非 接触方式从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，所述小电流激励负载模块连接在被测电源的负载端，通过所述扫频相量分析模块输出一定幅度的频率为ω的正弦激励信号，在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载，所述扫频相量分析模块根据接收的电压信号的幅度和相位和电流信号的幅度和相位，计算出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机控制扫频相量分析模块的输出频率ω并接收扫频相量分析模块的计算结果进行存储和后期处理。所述扫频相量分析模块的信号输出端还连接开路/短路/负载校准激励信号输出模块，所述开路/短路/负载校准激励信号输出模块在进行开路/短路/负载校准时连接在负载端，用于在被测电源和负载以及小电流激励负载模块都从电源母线上断开后输出激励信号至测试截面；所述开路/短路/负载校准激励信号输出模块包括负反馈运算放大器，运算放大器的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端和取模值以及加直流偏置电路，运算放大器的输出端串联二极管，二极管的正极输入端连接限压保护电路，二极管的负极输出端通过校准开关连接测试截面的电压采样端。所述测试频点电压相量提取模块包括与测试截面电压采样端连接的第一隔直电容和第二隔直电容，第一隔直电容和第二隔直电容分别连接第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路，第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路再同时连接差分放大电路，差分放大电路连接扫频相量分析模块的电压输入端。所述测试频点电流相量提取模块包括低频测试频点电流相量提取模块，所述低频测试频点电流相量提取模块包括一个由高磁导率的磁环制作的电流互感器，所述电流互感器上分别绕有次级感应绕组以及直流抵偿绕组，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端；所述直流抵偿绕组通过依次连接的直流电路驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，所述直流电流测量器件把测得的母线电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电路驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消电源母线的直流电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。所述测试频点电流相量提取模块包括高频测试频点电流相量提取模块，所述高频测试频点电流相量提取模块包括一个由低磁导率的磁环制作的电流互感器，所述电流互感器上绕有次级感应绕组，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端。所述小电流激励负载模块包括由运算放大器、场效应晶体管、取样电阻组成的负反馈闭环控制与驱动电路，运算放大器的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端和取模值电路，运算放大器的输出端连接场效应晶体管的控制极，场效应晶体管的一个输出极通过限流与熔断保护电路连接被测电源正极，另一个输出极通过取样电阻连接被测电源负极。所述扫频相量分析模块包括数字逻辑器件，所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别依次通过输入信号调理电路和模数转换电路连接所述数字逻辑器件，所述数字逻辑器件依次通过数模转换电路和输出信号调理电路连接所述小电流激励负载模块或开路/短路/负载校准激励信号输出模块；所述数字逻辑器件包括与时钟芯片连接的DDS直接数字式频率合成单元，所述DDS直接数字式频率合成单元通过乘法器分别连接正弦积分模块和余弦积分模块，DDS直接数字式频率合成单元输出的两路频率为ω的正交信号sin(cot)和Cos(COt)分别与输入给数字逻辑器件的电压数字信号U(t)和电流数字信号I (t)相乘后再分别送入正弦积分模块和余弦积分模块，所述正弦积分模块 和余弦积分模块连接相量除法运算模块，所述相量除法运算模块通过通讯接口与控制计算机连接；所述DDS直接数字式频率合成单元还连接所述数模转换电路，将生成的频率为ω的sin(cot)信号或Cos(COt)信号输出给数模转换电路；所述DDS直接数字式频率合成单元通过通讯接口与控制计算机连接，由控制计算机控制DDS直接数字式频率合成单元的输出频率。一种直流电源输出阻抗测量方法，其特征在于，建立被测电源与负载的工作点，在被测电源与负载连接的电源母线上选取测试截面，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，通过扫频相量分析模块的输出端输出一定幅度的频率为ω的正弦信号给小电流激励负载模块作为激励，使小电流激励负载模块在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载；通过测试频点电压相量提取模块从测试截面上的电压采样端提取被测电源两端的频率为ω的电压信号的幅度和相位，通过测试频点电流相量提取模块从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，分别送往扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端；由扫频相量分析模块计算得出电压相量和电流相量的模的比值和角度差；再根据在频率ω的开路、短路、负载校准的数据对测量结果进行修正，最终得出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机通过通讯接口与扫频相量分析模块进行通信，控制扫频相量分析模块的输出频率ω，接收扫频相量分析模块的输出结果进行存储和后期处理。所述根据在频率ω的开路、短路、负载校准的数据对测量结果进行修正的步骤包括I)将被测电源和负载都从电源母线上断开，同时将小电流激励负载模块从电源母线上断开；2)通过连接在负载端的开路/短路/负载校准激励信号输出模块输出激励信号给测试截面；3)当测试截面的电压采样端分别保持开路、短路、连接标准负载时，分别测量出开路、短路、连接标准负载时的阻抗值；4)根据这些数据，对被测电源输出阻抗的测量结果进行修正。
通过开路、短路的测量数据对测量结果进行修正的公式为Zxffl为被测对象的实测值；Ζ 为测试截面的电压采样端保持开路时的测量值；Zsffl为测试截面的电压采样端保持短路时的测量值；ΖΧ为修正后的被测对象的阻抗值；通过连接标准负载的测量数据对测量结果进行修正的方法为将测试截面的电压采样端连接标准负载时测得的各频点的标准负载实测值与标准负载的各频点的标称值进行比对，得到修正系数，该修正系数使测量标准负载时最终显示的阻抗值跟标准负载的标称值一致，根据这个修正系数对以后的测量值进行修正。本发明的技术效果本发明公开的一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法，将所测量的直流电源输出阻抗定义在具体的工作点(电源工作在额定范围内的一个确定的直流电压和直流电流)，具体的测试截面，从测试截面朝电源的方向看所呈现出的等效阻抗，测量时，在被测电源与负载连接的电源母线上选取测试截面，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，从测试截面上的电压采样端提取被测电源两端的频率为ω的电压信号的幅度和相位，从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，有效克服了现有技术的测量方法由于负载输入阻抗的影响而造成的测量过程的系统偏差。另外，在被测电源的负载端引入的对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载，不同于现有技术的测量方法主动把信号源信号耦合到电源母线的方式，这个正弦波电流负载相当于被动式的给电源带上一个功率很小的负载，从电源吸取电流，达到对电源施加扰动的目的，所施加的正弦波电流负载的频率和幅度都是可控的，并且足够小，不影响被测电源与负载建立的工作点。进一步的，还包括对测量结果进行修正的校准方式，通过开路、短路、负载校准，最大限度的消除测量装置自身的影响，得到满足误差要求的被测电源输出阻抗值。
图I是现有技术采用电流互感器的直流电源输出阻抗测量原理图。图2是现有技术采用场效应管的直流电源输出阻抗测量原理图。图3是现有技术采用有源放大器的直流电源输出阻抗测量原理图。图4是Agilent4395A网络分析仪测量电源输出阻抗原理图。图5是本发明的直流电源输出阻抗测量装置的示意图。图6是本发明的直流电源输出阻抗测量装置校准示意图。图7是开路/短路/负载校准激励信号输出模块结构图。图8是测试频点电压相量提取模块结构图。图9是低频测试频点电流相量提取模块结构图。图10是高频测试频点电流相量提取模块结构图。图11是小电流激励负载模块结构图。 图12是扫频相量分析模块结构图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。如图5所示，本发明的直流电源输出阻抗测量装置的示意图。一种直流电源输出阻抗测量装置，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端U和电流输入端I，扫频相量分析模块的信号输出端S连接小电流激励负载模块，扫频相量分析模块还和控制计算机连接；测试频点电压相量提取模块连接至在被测电源连接负载的电源母线上选取的测试截面的电压采样端a点和b点，提取被测电源两端频率为ω的电压信号的幅度和相位，测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面ab，测试频点电流相量提取模块采用非接触方式从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，小电流激励负载模块连接在被测电源的负载端，通过扫频相量分析模块输出一定幅度的频率为ω的正弦激励信号，在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载，扫频相量分析模块根据接收的电压信号的幅度和相位和电流信号的 幅度和相位，计算出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机控制扫频相量分析模块的输出频率ω并接收扫频相量分析模块的计算结果进行存储和后期处理。如图6所示，是本发明的直流电源输出阻抗测量装置的校准示意图。扫频相量分析模块的信号输出端还连接开路/短路/负载校准激励信号输出模块，开路/短路/负载校准激励信号输出模块在进行开路/短路/负载校准时连接在负载端，用于在被测电源和负载以及小电流激励负载模块都从电源母线上断开后输出激励信号至测试截面，使扫频相量分析模块能够测量其开路、短路、接标准负载的值，对测量装置进行开路、短路、负载校准。校准的目的是消除测量装置自身的影响，比如测试夹具的影响，系统自身的误差等等。如图7所示，是开路/短路/负载校准激励信号输出模块结构图。开路/短路/负载校准激励信号输出模块包括负反馈运算放大器Α，运算放大器的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端S和取模值以及加直流偏置电路，运算放大器的输出端串联二极管D1，二极管Dl的正极输入端连接限压保护电路，二极管Dl的负极输出端通过校准开关连接测试截面的电压采样端a、b。本模块电路的原理为，从扫频相量分析模块输出一个测试频点的正弦信号，经过取模值以及加直流偏置电路，与输入的信号进行相加，合成的信号最小值大于二极管Dl的压降，保证输入到截面测试点的信号底部不被削去。采用这样方式的原因是，在测试过程中有时会出现校准开关忘记断开的情况，这样就会导致开路、短路、负载校准激励信号输出模块的输出与母线电压直接相连产生冲突，造成电源或者开路、短路、负载校准激励信号输出模块被损坏。本模块电路采用二极管串联输出，二极管前级加上限压保护电路，能有效保护电源和开路、短路、负载校准激励信号输出模块的安全。如图8所示，是测试频点电压相量提取模块结构图。测试频点电压相量提取模块包括与测试截面电压采样端连接的第一隔直电容Cl和第二隔直电容C2，第一隔直电容Cl和第二隔直电容C2分别连接第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路，第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路再同时连接差分放大电路，差分放大电路连接扫频相量分析模块的电压输入端U;从测试截面电压采样端提取的电压信号通过隔直电容Cl、C2滤除直流信号，然后经过输入缓冲电路和差分放大电路把测试频点的电压信号提取出来，送给扫频相量分析模块的电压输入端。测试频点电流相量提取模块包括低频测试频点电流相量提取模块和高频测试频点电流相量提取模块，低频测试频点电流相量提取模块适用的频率范围为IOHz 1MHz，高频测试频点电流相量提取模块适用的范围为IOkHz 30MHz。如果测试的频率在IOHz IMHz的范围内，采用低频交流电流测量方案，该方案的核心是用一个高磁导率的磁环制作电流互感器，磁环的磁芯可以是坡莫合金，非晶、纳米晶等高磁导率材料。本应用需要在一个大幅度的直流偏置电流上(50安培及以上)检测出叠加的小幅度的交流电流(毫安级别及以上)，因此为了防止磁芯出现磁饱和的情况，本模块的电流互感器除了有次级感应绕组，还有一个直流抵偿绕组，来抵消电源母线电流里的直流分量在互感器里产生的磁场强度。如图9所示，是低频测试频点电流相量提取模块结构图。低频测试频点电流相量提取模块包括一个由高磁导率的磁环制作的电流互感器，电流互感器上分别绕有次级感应绕组以及直流抵偿绕组，次级感应绕组依次连接电流电压转换电路
和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端I，次级感应绕组起的作用是感应被测电流中的交流电流成分，次级感应绕组里的电流与电源母线中的交流电流成线性的关系，经过电流电压转换、信号调理和频响补偿电路，最终输出给扫频相量分析模块；直流抵偿绕组通过依次连接的直流电路驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，直流电流测量器件把测得的母线电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电路驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消电源母线的直流电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流；直流抵偿绕组的作用是根据给它提供的一定大小的直流电流，它在磁芯中所产生的磁感应强度大小与被测母线电流的直流偏置电流在磁芯中产生的磁感应强度大小相等，方向相反，这样就可以保证磁芯不会因为直流偏置过大而饱和，保证电流互感器正常工作。实现测量电源母线直流电流的功能可以使用霍尔电流传感器或者其他类型的能把直流电流转换成直流电压的器件，霍尔电流传感器输出的电压除了包括与母线直流偏置电流成比例的直流分量，也包括一些小的交流分量；霍尔电流传感器的输出通过一个低通滤波器滤除测试频带内的交流分量，剩下近似直流的信号，给直流电流驱动电路，直流电流驱动电路用这个信号去驱动一个直流补偿电流给电流互感器的直流补偿绕组，抵消电源母线的直流在电流互感器中产生的磁感应强度。如果测试点的频率在IOkHz 30MHz的范围内，可以采用高频交流电流测量方案，该方案可以选用铁氧体、铁硅铝等磁导率相对低，频率响应范围宽的磁芯来制作电流互感器。实验表明选择合适的磁芯、次级绕组匝数，电源母线电流的直流偏置对电流互感器测量交流电流分量的影响不大，可以不需要像低频电流测试那样的直流抵偿绕组。如图10所示，是高频测试频点电流相量提取模块结构图。高频测试频点电流相量提取模块包括一个由低磁导率的磁环制作的电流互感器，电流互感器上绕有次级感应绕组,次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端。如图11所示，是小电流激励负载模块结构图。小电流激励负载模块包括由运算放大器A、场效应晶体管Q、取样电阻Rl组成的负反馈闭环控制与驱动电路，运算放大器A的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端S和取模值电路，运算放大器A的输出端连接场效应晶体管Q的控制极，场效应晶体管Q的一个输出极通过限流与熔断保护电路连接被测电源正极，另一个输出极通过取样电阻Rl连接被测电源负极。小电流激励负载模块主要的功能是输出频率和幅度都可控的小幅度的电流，它实现的原理是通过控制场效应管的导通电阻变化，达到控制从电源吸收的电流大小，它所引入的电流激励采用的是一种被动吸收的模式，不会对电源母线造成潜在损害。小电流激励负载模块所施加的激励应足够小，不能影响电源与负载所建立的工作点。扫频相量分析模块输入一个测试频点的正弦信号，经过取模值电路与原信号进行相加获得一个有直流偏置的电压控制信号，它的最小值略大于零；通过运算放大器A、场效应晶体管Q、取样电阻SI组成的负反馈闭环系统的控制，使取样电阻SI上的电压波形和V。相同，因此电源输出与\相同的电流波形。如图12所示，是扫频相量分析模块结构图。扫频相量分析模块包括数字逻辑器 件，测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别依次通过输入信号调理电路和模数转换电路连接数字逻辑器件，数字逻辑器件依次通过数模转换电路和输出信号调理电路连接小电流激励负载模块或开路/短路/负载校准激励信号输出模块；测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块输出的相量分别经过输入信号调理电路调理到合适的范围，经过高速模数转换电路(AD)变换成数字信号，输入给FPGA或者DSP等可以高速处理数字信号的数字逻辑器件；数字逻辑器件包括与时钟芯片连接的DDS直接数字式频率合成单元，数字逻辑器件里面的DDS直接数字式频率合成单元可以输出正交的两路频率为ω的信号，表示为sin(cot)和C0S(GJt) ;DDS直接数字式频率合成单元通过乘法器分别连接正弦积分模块和余弦积分模块，DDS直接数字式频率合成单元输出的两路频率为ω的正交信号sin(cot)和Cos(COt)分别与输入给数字逻辑器件的电压数字信号U (t)和电流数字信号I (t)通过乘法器相乘后再分别送入正弦积分模块和余弦积分模块，正弦积分模块和余弦积分模块连接相量除法运算模块，U(t)和I(t)分别与sin(cot)和cos(cot)进行相乘,然后进行多周期积分,得到11= / U (t) *cos (ω t) dt ；Ql= f U(t) *sin (ω t)I2= f I (t) *cos (ω t)Q2= f I (t) *sin (ω t) dt,由此可以提取出复数表示的频率为ω的电压相量和电流相量(Il+jQl)和(I2+jQ2)，经过复数相除的运算，得出模的比值|Z|和角度差Θ ;相量除法运算模块通过通讯接口与控制计算机连接，将计算结果输出给控制计算机进行存储和后期处理；DDS直接数字式频率合成单元还依次连接数模转换电路和输出信号调理电路，将生成的频率为ω的sin(cot)信号或Cos(COt)信号输出给数模转换电路，经过输出信号调理电路，作为扫频相量分析模块的信号输出端S端的信号输出源头；DDS直接数字式频率合成单元通过通讯接口与控制计算机连接，由控制计算机控制DDS直接数字式频率合成单元的输出频率。本发明的直流电源输出阻抗测量方法实现的是，对于直流电源与负载构成的一对被测对象，所测量的直流电源输出阻抗是定义在具体的工作点(电源工作在额定范围内的一个确定的直流电压和直流电流)，具体的测试截面，从测试截面朝电源的方向看所呈现出的等效阻抗，有效的克服了由于负载输入阻抗的影响而造成的测量过程的系统偏差。本发明的测量方法是，在被测电源与负载建立的工作点上，在被测电源与负载连接的电源母线上选取测试截面，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，通过扫频相量分析模块的信号输出端输出一定幅度的频率为ω的正弦信号给小电流激励负载模块作为激励，使小电流激励负载模块在被测电源的负载端引入一个频率为ω的正弦波电流负载，这个正弦波电流负载相当于给电源带上一个功率很小的可控电阻，从电源吸取电流，达到对电源施加扰动的目的；通过测试频点电压相量提取模块从测试截面上的电压采样端提取被测电源两端的频率为ω的电压信号的幅度和相位，通过测试频点电流相量提取模块从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，分别送往扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端；由扫频相量分析模块提取出用复数表示的频率为ω的电压相量和电流相量，经过复数相除的运算，计算得出电压相量和电流相量的模的比值和角度差；再根据在频率ω的开路、短路、负载校准的数据对测量结果进行修正，最终得出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机通过通讯接口与扫频相量分析模块进行通信，控制扫频相量分析模块的输出频率ω，接收扫频相量分析模块的输出结果进行存储和后期处理。所述根据在频率ω的开路、短路、负载校准的数据对测量结果进行修正的步骤包括；1)将被测电源和负载都从电源母线上断开，同时将小电流激励负载模块从电源母线上断开；2)通过连接在负载端的开路/短路/负载校准激励信号输出模块输出激励信号给测试截面；3)当测试截面的电压采样端分别保持开路、短路、连接标准负载时，分别测量出开路、短路、连接标准负载时的阻抗值；4)根据这些数据，对被测电源输出阻抗的测量结果进行修正。通过开路、短路的测量数据对测量结果进行修正的公式为
1.一种直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，所述扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，所述扫频相量分析模块还和控制计算机连接；所述测试频点电压相量提取模块连接至在被测电源连接负载的电源母线上选取的测试截面的电压采样端，提取被测电源两端频率为ω的电压信号的幅度和相位，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，所述测试频点电流相量提取模块采用非接触方式从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，所述小电流激励负载模块连接在被测电源的负载端，通过所述扫频相量分析模块输出一定幅度的频率为ω的正弦激励信号，在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载，所述扫频相量分析模块根据接收的电压信号的幅度和相位和电流信号的幅度和相位，计算出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机控制扫频相量分析模块的输出频率ω并接收扫频相量分析模块的计算结果进行存储和后期处理。
2.根据权利要求I所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述扫频相量分析模块的信号输出端还连接开路/短路/负载校准激励信号输出模块，所述开路/短路/负载校准激励信号输出模块在进行开路/短路/负载校准时连接在负载端，用于在被测电源和负载以及小电流激励负载模块都从电源母线上断开后输出激励信号至测试截面；所述开路/短路/负载校准激励信号输出模块包括负反馈运算放大器，运算放大器的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端和取模值以及加直流偏置电路，运算放大器的输出端串联二极管，二极管的正极输入端连接限压保护电路，二极管的负极输出端通过校准开关连接测试截面的电压采样端。
3.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述测试频点电压相量提取模块包括与测试截面电压采样端连接的第一隔直电容和第二隔直电容，第一隔直电容和第二隔直电容分别连接第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路，第一信号输入缓冲电路和第二信号输入缓冲电路再同时连接差分放大电路，差分放大电路连接扫频相量分析模块的电压输入端。
4.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述测试频点电流相量提取模块包括低频测试频点电流相量提取模块，所述低频测试频点电流相量提取模块包括一个由高磁导率的磁环制作的电流互感器，所述电流互感器上分别绕有次级感应绕组以及直流抵偿绕组，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端；所述直流抵偿绕组通过依次连接的直流电路驱动电路和低通滤波电路连接直流电流测量器件，所述直流电流测量器件把测得的母线电流信号转换成电压信号，通过低通滤波电路滤除交流成分后，再通过直流电路驱动电路给直流抵偿绕组输出一个能抵消电源母线的直流电流在电流互感器中产生的磁感应强度的直流电流。
5.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述测试频点电流相量提取模块包括高频测试频点电流相量提取模块，所述高频测试频点电流相量提取模块包括一个由低磁导率的磁环制作的电流互感器，所述电流互感器上绕有次级感应绕组，所述次级感应绕组依次连接电流电压转换电路和信号调理及频率补偿电路，信号调理及频率补偿电路连接扫频相量分析模块的电流输入端。
6.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述小电流激励负载模块包括由运算放大器、场效应晶体管、取样电阻组成的负反馈闭环控制与驱动电路，运算放大器的正输入端通过加法器连接扫频相量分析模块的信号输出端和取模值电路，运算放大器的输出端连接场效应晶体管的控制极，场效应晶体管的一个输出极通过限流与熔断保护电路连接被测电源正扱，另ー个输出极通过取样电阻连接被测电源负极。
7.根据权利要求I或2所述的直流电源输出阻抗测量装置，其特征在于，所述扫频相量分析模块包括数字逻辑器件，所述测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别依次通过输入信号调理电路和模数转换电路连接所述数字逻辑器件，所述数字逻辑器件依次通过数模转换电路和输出信号调理电路连接所述小电流激励负载模块或开路/短路/负载校准激励信号输出模块；所述数字逻辑器件包括与时钟芯片连接的DDS直接数字式频率合成単元，所述DDS直接数字式频率合成単元通过乘法器分别连接正弦积分模块和余弦积分模块，DDS直接数字式频率合成单元输出的两路频率为ω的正交信号sin (on)和Cos(COt)分别与输入给数字逻辑器件的电压数字信号U (t)和电流数字信号I (t)相乘后再分别送入正弦积分模块和余弦积分模块，所述正弦积分模块和余弦积分模块连接相量除法运算模块，所述相量除法运算模块通过通讯接ロ与控制计算机连接；所述DDS直接数字式频率合成単元还连接所述数模转换电路，将生成的频率为ω的Sin(Cot)信号或cos( t)信号输出给数模转换电路；所述DDS直接数字式频率合成単元通过通讯接ロ与控制计算机连接，由控制计算机控制DDS直接数字式频率合成単元的输出频率。
8.ー种直流电源输出阻抗测量方法，其特征在于，建立被测电源与负载的工作点，在被测电源与负载连接的电源母线上选取测试截面，所述测试截面为在被测电源与负载之间朝着电源方向看的横切面，通过扫频相量分析模块的输出端输出一定幅度的频率为ω的正弦信号给小电流激励负载模块作为激励，使小电流激励负载模块在被测电源的负载端引入一个对电源施加扰动的频率为ω的正弦波电流负载；通过测试频点电压相量提取模块从测试截面上的电压采样端提取被测电源两端的频率为ω的电压信号的幅度和相位，通过测试频点电流相量提取模块从电源母线上提取通过测试截面流向被测电源的频率为ω的电流信号的幅度和相位，分别送往扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端；由扫频相量分析模块计算得出电压相量和电流相量的模的比值和角度差；再根据在频率ω的开路、短路、负载校准的数据对测量结果进行修正，最終得出在所述测试截面的被测电源在频率ω时的输出阻抗的幅度值和相位值；控制计算机通过通讯接ロ与扫频相量分析模块进行通信，控制扫频相量分析模块的输出频率ω，接收扫频相量分析模块的输出结果进行存储和后期处理。
9.根据权利要求8所述的直流电源输出阻抗测量方法，其特征在于，所述根据在频率ω的开路、短路、负载校准的数据对测量结果进行修正的步骤包括
I)将被测电源和负载都从电源母线上断开，同时将小电流激励负载模块从电源母线上断开；2)通过连接在负载端的开路/短路/负载校准激励信号输出模块输出激励信号给测试截面；3)当测试截面的电压采样端分别保持开路、短路、连接标准负载时，分别测量出开路、短路、连接标准负载时的阻抗值；4)根据这些数据，对被测电源输出阻抗的测量结果进行修正。
10.根据权利要求9所述的直流电源输出阻抗测量方法，其特征在于，通过开路、短路的测量数据对测量结果进行修正的公式为
Zxffl为被测对象的实测值；ZM为测试截面的电压采样端保持开路时的测量值；zsm为测试截面的电压采样端保持短路时的测量值；ZX为修正后的被测对象的阻抗值；
通过连接标准负载的测量数据对测量结果进行修正的方法为将测试截面的电压采样端连接标准负载时测得的各频点的标准负载实测值与标准负载的各频点的标称值进行比对，得到修正系数，该修正系数使测量标准负载时最终显示的阻抗值跟标准负载的标称值一致，根据这个修正系数对以后的测量值进行修正。
本发明公开了一种直流电源输出阻抗测量装置及其测量方法，所测量的直流电源输出阻抗是定义在具体的工作点、具体的测试截面，从测试截面朝电源的方向看所呈现出的等效阻抗，克服由于负载输入阻抗的影响而造成的测量过程的系统偏差。本发明的测量装置，包括测试频点电压相量提取模块、测试频点电流相量提取模块、小电流激励负载模块、扫频相量分析模块和控制计算机；测试频点电压相量提取模块和测试频点电流相量提取模块分别连接扫频相量分析模块的电压输入端和电流输入端，扫频相量分析模块的信号输出端连接小电流激励负载模块，扫频相量分析模块还和控制计算机连接。
文档编号G01R27/08GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者梅高峰, 刘民, 孙毅, 金光远, 郝慧萍 申请人:北京东方计量测试研究所